[论文解读] Neutron scattering study of role of partial disorder-type spin fluctuations in conductivity of frustrated conductor Mn$_3$Pt

Keisuke Tomiyasu, Hiroyuki Yasui+1 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2012

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 25被引用 4

一句话总结

本研究利用单晶非弹性中子散射揭示，在几何自旋阻挫导体Mn₃Pt的顺磁相中，短程自旋涨落表现出与有序F相相同的部分无序型自旋关联模式。研究结果表明，动态涨落且非有序的Mn位点作为可移动的电荷载流子，增强了顺磁态下的电导率——直接建立了自旋阻挫与异常输运行为之间的联系。

ABSTRACT

The spin-frustrated conductor Mn$_3$Pt exhibits a characteristic magnetic structure called partial disorder in which some spin sites can form magnetic order through the generation of non-ordered sites that locally relieve the frustration. Here we report the results of a single-crystal inelastic neutron scattering study of this compound. The measured momentum $\vec{Q}$ correlations of diffusive magnetic scattering reveal that the paramagnetic phase exhibits short-range spin fluctuations with the same type of partial disorder. Its relation to conductivity is also discussed.

研究动机与目标

• 研究Mn₃Pt顺磁相中短程涨落的空间自旋关联。
• 确定顺磁相中的自旋涨落是否与F相中观测到的部分无序磁结构有关。
• 阐明非有序磁性位点在阻挫导体中对电导率的影响。
• 在阻挫金属中建立自旋动力学与异常输运性质之间的直接联系。

提出的方法

• 在JRR-3反应堆上使用TOPAN三轴谱仪对Mn₃Pt进行单晶非弹性中子散射测量。
• 在宽动量空间（Q）范围内以高统计精度测量弥散磁散射的动量（Q）关联。
• 采用减法技术从顺磁相和F相状态中分离出磁散射强度。
• 基于观测到的散射图案构建空间自旋关联模型，区分有序与非有序Mn位点。
• 将实验数据与计算的散射强度图案进行比较，以验证所提出的自旋关联模型。
• 从观测到的关联图案中评估磁交换相互作用（J₁和J₂），结果与先前自旋波研究一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 Mn₃Pt顺磁相中的短程自旋涨落是否表现出与F相相同的部分无序型关联？
• RQ2 自旋涨落的空间关联如何随温度演变，其与磁结构的关系是什么？
• RQ3 非有序Mn位点在Mn₃Pt的自旋动力学与电子输运中起什么作用？
• RQ4 在T_N处电导率出现异常下降的现象，是否可由移动的、动态涨落的非有序位点的存在来解释？
• RQ5 层间与层内自旋关联如何共同贡献于观测到的自旋涨落模式？

主要发现

• 顺磁相表现出与F相相同的部分无序型空间关联模式的短程自旋涨落，表明自旋动力学与磁结构之间存在直接关联。
• 顺磁相中的弥散磁散射在对应于F相传播矢量q_F = (1,0,1/2)的点上最强，证实该关联模式在T_N以上仍持续存在。
• 空间自旋关联主要由Mn平面内的二维面内涨落主导，层间关联随冷却而增强，导致在T_N处出现长程有序。
• 非有序Mn位点具有动态可移动性，不参与自旋关联，自旋关联被限制在具有第一邻近相互作用的有序Mn平面内。
• 测得的自旋关联长度约为第一邻近Mn–Mn距离的六倍，表明存在强短程有序。
• 该模型表明，移动的非有序位点作为有效电荷载流子，增强了顺磁相中的电导率，从而解释了在T_N处出现的异常电导率下降现象。